Ist ein Herstellungsprozess so empfindlich, dass selbst kleinste Partikel stören, wird dieser in einen Reinraum verlagert. Doch dort gelten ganz eigene Regeln, zum Beispiel müssen die Produktionsanlagen ohne Schmierstoff laufen. In der Lagertechnik setzt man daher auf Edelstahl - ein Material, dass sich auch durch eine geringe Partikelbildung auszeichnet.

Fernseher, Kühlschränke oder Staubsauger-Roboter: Viele moderne Geräte kommen heute nicht mehr ohne Mikrochips aus. Bei deren Herstellung kommt es neben einer präzisen Arbeitsweise auch auf eine sterile Umgebung an. Nur so kann eine Zerstörung der mikrometerkleinen integrierten Schaltkreise durch kleinste Partikel verhindert werden. Aus diesem Grund werden sie in Rein- und Reinsträumen gefertigt. Für die Mitarbeiter bestehen hier beispielsweise Vorschriften hinsichtlich der Arbeitskleidung: spezielle Overalls, Kopfhauben und Überzieher für die Schuhe. Auch für die verwendeten Werkzeuge und Produktionsanlagen gelten in den Reinräumen besondere Regeln.
Ein entscheidendes Werkzeug bei der Herstellung und Miniaturisierung von Mikrochips sind Wafer-Stepper und Wafer-Scanner. Diese optischen Systeme projizieren die Strukturinformationen der Chips lithografisch auf Wafer aus Silizium. Dabei arbeiten die Lithografiesysteme unter Vakuum oder speziellen Gasatmosphären, beispielsweise einer absolut trockenen und aggressiven Stickstoffatmosphäre. Bei der Produktion werden enge Toleranzen vorgegeben, das heißt, es müssen präzise Mechaniken eingesetzt werden, die zudem den Rein- und Reinstraumregeln genügen müssen. Das gilt auch für die Lagerungen in den Objektivblenden der lithografischen Systeme. Diese Blenden werden üblicherweise kompakt und flach konstruiert. Hier sind entsprechend kleinbauende Lager mit minimalem Lagerspiel bei einem relativ geringen Drehmoment gefragt.

Lager ohne Schmierstoff sind gefragt
Aufgrund der geforderten Qualitätsvorgaben im Hinblick auf Präzision und Sauberkeit sind Standardlager aus dem Rodriguez-Portfolio keine Option. Lager in konventioneller Ausführung sind in der Regel mit Schmierstoff ausgestattet, der ausgasen könnte. „Optische Geräte sind hochsensibel. Es wäre möglich, dass sich die Schmierstoff-Ausgasung auf der Optik des lithografischen Systems ablegt und dadurch dessen Funktionalität beeinträchtigt wird", berichtet Ulrich Schroth, Geschäftsbereichsleiter Präzisionslager bei Rodriguez, der um die besonderen Rahmenbedingungen der Lagertechnik in Reinraumapplikationen weiß.
Zudem können Lager in Hochvakuum-Anwendungen, wie sie ebenfalls in der Halbleiterindustrie zu finden sind, die Wärme nicht ableiten. Das kann zu einem Ausflocken des Schmierstoffs führen. Auch aus diesem Grund muss das Lager in der Blende dauerhaft im Trockenlauf arbeiten. Bei Wälzkörpern aus Stahl, die in Standardlagern eingesetzt werden, würde dies zu Abrieb führen und damit zu einer Überschreitung der Grenzwerte der zulässigen Partikel-Kontamination des Reinraums.

Dünnringlager aus Edelstahl
In diesen Fällen werden daher Dünnringlager aus Edelstahl bevorzugt. Neben den produkttypischen Vorteilen - einem geringen Gewicht und einem kleinen Lagerquerschnitt, der auch bei steigenden Bohrungsdurchmessern konstant bleibt - zeichnen sich diese Lager durch weitere Eigenschaften aus, die sie für den Einsatz in Rein- und Reinsträumen empfehlen. Edelstahldünnringlager wie beispielsweise die Lager der Reali-Slim-Baureihe von Kaydon minimieren die Oberflächenabnutzung sowie Partikelbildung und sind korrosionsbeständig. Sie bestehen aus Edelstahllaufringen, nichtmetallischen oder Messing-Käfigen sowie Kugeln aus Edelstahl oder Keramik. Speziell die Kombination aus Edelstahllaufringen und Keramik-Kugeln (oder -Rollen) trägt zu einer besonderen Steifigkeit und einem niedrigen Drehmoment bei. Dadurch steigen Genauigkeit und Wiederholbarkeit - vor allem im schmiermittelfreien Einsatz.
Rodriguez bietet diese Speziallager, die den Reinraumbedingungen gerecht werden, in einer Vielzahl gängiger metrischer und zölliger Abmessungen an. Für die Lagerung in den Blenden der lithografischen Systeme zur Mikrochip-Herstellung eignet sich beispielsweise eine im Reinraum montierte Variante aus Edelstahl-Innen- beziehungsweise Außenringen mit Wälzkörpern aus Keramik und einem Kugelkäfig aus Teflon. Da Keramik im Gegensatz zu anderen Wälzkörperwerkstoffen wie Stahl chemisch stabil und korrosionsbeständig ist, lässt sich unerwünschter Abrieb oder die Bildung von Fremdkörpern vermeiden. Sie verfügen darüber hinaus über ein höheres Elastizitätsmodul und machen das Lager steifer, weniger anfällig gegen Vibrationen und somit präziser. Zudem sind Keramikkugeln leichter und elektrisch isolierend. Bei aggressiven Umgebungsbedingungen muss auch das Käfigmaterial entsprechend beschaffen sein. So ist die PTFE-Ausführung aufgrund der Reaktionsträgheit gegen angreifende Säuren resistent. Das Material verfügt zudem über einen geringen Reibungskoeffizienten. So ist die Haftreibung ebenso groß wie die Gleitreibung, der Übergang vom Stillstand zur Bewegung findet also ohne Rucken statt.

Das Doppelte der geforderten Lebensdauer
In den lithografischen Systemen zur Mikrochip-Herstellung müssen die Dünnringlager Höchstleistung erbringen und über mehrere Millionen Zyklen zuverlässig arbeiten. Daher werden sie vorab getestet. Schroth berichtet: „Mitunter konnte auf dem Prüfstand mehr als das Doppelte der geforderten Lebensdauer erreicht werden. Angesichts der Bedingungen in der Betriebsumgebung ist das eine beachtliche Leistung."
Ob Halbleiter- oder optische Industrie, Medizin- und Messtechnik, Luft- und Raumfahrt oder Robotik: Das Anwendungsspektrum für Dünnringlager umfasst ein weites Feld. Dafür bietet Rodriguez rund 250 Lagertypen an. Standardmäßig liefert das Unternehmen Dünnringlager in Hybrid-Ausführung in 1- bis 40-Zoll-Bohrungsdurchmessern; auf Anfrage fertigt Rodriguez jedoch auch nach Kundenwunsch.